光学无损提取平面足迹的原理与方法

陈蕊丽， 周吉亮， 唐云祁， 魏育新

(中国人民公安大学刑事科学技术学院，北京 100038)

0 引言

随着社会的发展，刑事犯罪智能化也在不断提高，犯罪嫌疑人的反侦查意识也不断加强，他们往往在案前有周密策划，作案时戴手套，作案后隐藏作案工具，这都给现场勘查取证人员的工作加大了难度。对于普遍高发的室内盗窃案件，犯罪嫌疑人往往采用戴手套、采用专用开锁工具的方法进入室内，这类案件物证少，更多依赖于现场足迹的提取。随着新刑事诉讼法的颁布，对刑事案件的起诉要求越来越高，案件中证据的获取越来越重要。这就要求技术人员在现场勘查过程中收取证据价值要高，因此，对于现场足迹的发现与提取显得尤为重要。足迹固定提取是现场勘查的主要内容之一，但是由于现场实际情况的复杂性，以及犯罪嫌疑人有意的伪装或破坏，因此在疑难客体上的足迹提取往往通过传统方法达不到理想的效果。由于足迹相对其他痕迹物证来说不易掩盖和隐藏，对串并案件、分析案件性质、确定现场出入口、作案人数及刻画犯罪嫌疑人特征等来说，都有重要的意义。本文通过对现场中疑难客体平面足迹的传统照相方法提取与光学扫描采集仪提取两种方法的提取效果进行比较分析，初探疑难客体上平面足迹无损提取方法，使足迹提取达到应有的效果，为侦破案件提供线索，为审判提供证据。

1 平面足迹光学无损提取原理介绍

现场足迹是行为人活动时遗留的印迹。常见的有立体足迹和平面足迹，立体足迹和平面有色足迹可以在普通光源下目视发现。而潜在的平面足迹，由于形成的物质不同和承受客体表面物理属性的差异，则较难发现。对于常见的脚印可以用石膏制模法或照相法固定和提取。潜在的脚印则需要静电提取法予以提取，用照相法固定［1］。上述提取方法多会对足迹产生破坏，并丢失大量特征。本文所指疑难客体平面足迹主要是指潜在的、目视不易发现的或在足迹灯下可以发现但传统照相提取效果不佳或难以提取的一类足迹。

1.1 现场足迹特点

本文介绍4类客体，分别是a背景花纹复杂的灰尘足迹;b只能在特定角度下可见的灰尘足迹;c各种配光角度都不易显现的灰尘足迹;d对比度微弱的灰尘足迹。现场足迹图像特点为多数对比度低、足迹鞋底花纹不完整和背景复杂有干扰等，且会出现足迹相互叠加的情况。

1.2 光学无损提取法原理

1.2.1 垂直定向拍摄法

利用数码相机通过配光技术采集对象，使光滑平面客体与痕迹物质之间形成很高的亮度反差，减弱或消除光滑平面客体上的背景图案干扰。拍照距离越远，反差越大，干扰越小。此种方法适用的客体表面为光滑平面表面，如陶瓷、照片、玻璃、油漆、塑料等。客体表面光泽度越高，其表面定向反射能力越强，垂直定向照明的显现效果将越好，适用于汗液、油脂、灰尘足迹等。它们都具有非垂直定向性质，在垂直定向照明方向上的定向反射光线远远弱于光滑表面在这个方向上的定向反射光线，致使痕迹与客体之间出现很大的亮度反差。垂直定向照明的优势痕迹以深色调显现在浅色背景上，致使二者之间存在很高的亮度反差，同时，客体背景图案干扰被减弱或消除，为痕迹的检验鉴定奠定了良好的基础［2］。

1.2.2 掠入射偏振光拍摄法

掠入射是光线近似于平行被拍客体表面照射客体，可以显著地增加漫反射痕迹物质与平滑背景之间的反射亮度差异，是拍摄灰尘加层痕迹常用的配光方法。在掠入射光线照射下，可以有效地抑制客体在垂直方向上的亮度，即内反射光的亮度远远低于痕迹反射光亮度。因此掠入射照相仪可以减弱或消除客体的背景图案的干扰。但很多干燥鞋印尘土含量微少，背景色泽较浅，单纯靠掠入射的退偏振作用，不能进一步增强痕迹与背景的亮度反差。倘若客体具有某种颜色，且色彩单一，可在偏振镜前再加上滤色镜，运用分色偏光照相进一步提高鞋印反差。应用范围:客体为表现平整的物体，适用的指印为漫反射物质形成的痕迹(灰尘痕迹、502胶熏显痕迹)等［3］。

1.2.3 平面足迹扫描采集技术

足迹扫描采集系统原理为光源照射地面产生反射光和散射光，灰尘足迹的信号主要集中在散射光部分，摄像机对散射光成像会得到对比度较好的灰尘足迹图像。光源和摄像机构成成像单元，沿水平方向扫描即获得全幅足迹图像(如图1)。

现场足迹采集系统内置了掠入射、斜入射等不同入射角度的光源，并有上方观测、倾斜观测两种观测角度，组合后筛选了6种比较常用的配光模式。对于不同客体上的足迹，如水渍、血渍、灰尘等，可以很便利地选择最适合的配光模式进行扫描。

现场足迹采集系统的应用范围主要是:硬质平整表面上的灰尘、血渍、水渍等足迹形式。

(1)疑难足迹的提取:高对比度、复杂花纹图案表面的足迹;高反射材质表面的足迹;只能倾斜观察可见的足迹。

图1 足迹扫描系统原理示意图

(2)多采集模式:根据灰尘足迹、水渍足迹、血足迹等不同情况的需求，内置了多种采集模式，只需根据现场情况作出简单选择。

(3)全天候:内置式照明，无论室内、室外、白天、夜间都可工作。

(4)均匀性:扫描成像，避免了常规拍摄时图片因强光灯沿照明方向光照逐渐变暗而产生的照度不均匀性。

(5)无畸变:光学扫描成像方式，避免手工拍摄时因镜头难以垂直正对痕迹表面而产生的倾斜畸变，确保图像的每一处都反映痕迹的真实形状。

(6)自带比例尺:彻底解决遗忘放置比例尺，或者放置的比例尺过于短小的问题，确保得到原始尺寸。

(7)高稳定性:全封闭，无外界光干扰，无抖动，不受人为因素干扰，精确获取每一处痕迹。

2 实验部分

采用垂直反射拍照、掠入射光拍照和足迹扫描采集系统3种方法，针对上文提到的13种具体的客体，即①水磨石地板砖，黑白细密碎花图案，光滑表面，灰尘足迹;②大理石地板砖，黑白云纹，光滑表面，灰尘足迹;③浅白底地板砖，黄色、褐色碎花，光滑表面，灰尘足迹;④白底地板革，彩色块分布图案，橘皮颗粒感表面，灰尘足迹;⑤木纹图案地板革，磨砂颗粒感表面，灰尘足迹;⑥水磨石地板砖，黑、白、灰碎石花，部分碎石高亮反射，光滑表面，前半脚掌血渍足迹中后部灰尘足迹;⑦报纸彩印广告版，内容丰富的彩色图案，灰尘足迹;⑧复合木地板，浅黄木质原色，表面木纹略有凹凸，灰尘足迹;⑨软木地板，深浅褐色木屑状图案，表面哑光有碎块纹理，灰尘足迹;⑩瓷砖，不均匀褐色，小幅度的不规则凹凸表面，灰尘足迹;⑪瓷砖，不均匀浅桔黄色图案，橘皮颗粒感表面;⑫瓷砖，哑光灰黑底，黑色亮光花纹，灰尘足迹;⑬瓷砖，灰绿色粗颗粒表面，灰尘足迹。试通过三种提取效果的比对，为疑难客体上平面足迹的提取找到提取效果更佳的方法，以达到理想的提取效果。

2.1 实验效果

(1)水磨石地面上灰尘加层足迹，采用垂直定向拍照，如图2(a);利用掠入射光拍照，如图2(b);采用现场足迹扫描系统光学扫描取得的图像，如图2(c)。

图2

(2)黑白云纹，光滑表面大理石地板砖上灰尘加层足迹，采用垂直定向拍照，如图3(a);利用掠入射光拍照，如图3(b);采用现场足迹扫描系统光学扫描取得的图像，如图3(c)。

图3

(3)黄色、褐色碎花，浅白底地板砖上灰尘加层足迹，采用垂直定向拍照，如图4(a);利用掠入射光拍照，如图4(b);采用现场足迹扫描系统光学扫描取得的图像，如图4(c)。

图4

(4)彩色块分布图案白底地板革上灰尘加层足迹，采用垂直定向拍照，如图5(a);利用掠入射光拍照，如图5(b);采用现场足迹扫描系统光学扫描取得的图像，如图5(c)。

图5

(5)磨砂颗粒感表面木纹图案地板革上灰尘加层足迹，采用垂直定向拍照，如图6(a);利用掠入射光拍照，如图6(b);采用现场足迹扫描系统光学扫描取得的图像，如图6(c)。

(6)光滑表面，黑、白、灰碎石花，水磨石地板砖上灰尘加层足迹，采用垂直定向拍照，如图7(a);利用掠入射光拍照，如图7(b);采用现场足迹扫描系统光学扫描取得的图像，如图7(c)。

(7)内容丰富的彩色图案报纸彩印广告版上灰尘加层足迹，采用垂直定向拍照，如图8(a);利用掠入射光拍照，如图8(b);采用现场足迹扫描系统光学扫描取得的图像，如图8(c)。

图6

图7

图8

(8)表面木纹略有凹凸的浅黄木质原色复合木地板上灰尘加层足迹，采用垂直定向拍照，如图9(a);利用掠入射光拍照，如图9(b);采用现场足迹扫描系统光学扫描取得的图像，如图9(c)。

图9

(9)软木地板，深浅褐色木屑状图案，表面哑光有碎块纹理，表面木纹略有凹凸的浅黄木质原色复合木地板上灰尘加层足迹，采用垂直定向拍照，如图10(a);利用掠入射光拍照，如图10(b);采用现场足迹扫描系统光学扫描取得的图像，如图10(c)。

图10

(10)不均匀褐色，小幅度的不规则凹凸表面瓷砖上灰尘加层足迹，采用垂直定向拍照，如图11(a);利用掠入射光拍照，如图11(b);采用现场足迹扫描系统光学扫描取得的图像，如图11(c)。

(11)不均匀浅桔黄色图案，橘皮颗粒感表面瓷砖上灰尘加层足迹，采用垂直定向拍照，如图12(a);利用掠入射光拍照，如图12(b);采用现场足迹扫描系统光学扫描取得的图像，如图12(c)。

(12)黑色亮光花，哑光灰黑底纹瓷砖上灰尘加层足迹，采用垂直定向拍照，如图13(a);利用掠入射光拍照，如图13(b);采用现场足迹扫描系统光学扫描取得的图像，如图13(c)。

图11

图12

图13

(13)灰绿色粗颗粒表面瓷砖上灰尘加层足迹，采用垂直定向拍照，如图14(a);利用掠入射光拍照，如图14(b);采用现场足迹扫描系统光学扫描取得的图像，如图14(c)。

图14

3 结果及讨论

针对上述4类13种疑难客体，采用垂直定向反射照相方法，无法提取足迹;掠入射法对于光滑客体上的足迹会有一定的效果，但不够明显;现场足迹扫描方法采用不同的配光及采集方法，对于麻面、复杂背景、色差较弱的灰尘足迹具有较好的效果。

4 结论

本文通过对传统照相方法与现场足迹扫描采集系统方法对4类13种疑难客体上平面足迹的提取效果进行比对，发现传统照相方法虽然有快速成像、无损的优势，但也有其固有的缺陷，不能很好地显现和提取疑难客体上的平面足迹，而平面足迹扫描对此类疑难客体上平面足迹有较好的提取效果，特征反映明显，并且是无损提取，可为之后的检验、鉴定提供良好的基础和条件，为侦查提供线索，为起诉和审判提供证据。

［1］刘健康.足迹图像处理方法研究［D］.大连:大连海事大学，2006.

［2］戴忠强，许明铭.浅谈定向反射照明技术及其应用［J］.新疆警官高等专科学校学报，2007，27(4).

［3］袁燕谊.指印拍照中消除背景干扰的方法探析［J］.四川警官高等专科学校学报，2005，17(3).